一种新型半导体光放大器设计（2）

III. SOA 芯片表征

A. SOA 芯片光学表征设置

SOA的光学表征设置示意图如图7a)所示。我们使用了一个可调谐激光器（波长范围为1510-1630 nm），其输出功率固定，作为输入信号源，以便在大光谱范围内进行表征。值得注意的是，该激光器还选择了较大的最大输出功率（>12 dBm），以便研究饱和输出功率。在激光器之后，我们放置了一个可变光衰减器（VOA），用于控制输入信号的电平。由于SOA对偏振敏感，因此在SOA之前插入了偏振控制器。SOA的输出在光谱分析仪（OSA）上进行测量。此外，在SOA的输入和输出端使用了3-dB光耦合器，以便在光功率计（OPM）上监测放大的自发辐射功率电平。

被测设备（DUT）是一个安装在氮化铝载体上的SOA芯片，芯片通过引线键合与载体连接。由于载体上装有热敏电阻、热电冷却器（TEC）和TEC控制器，因此该设备可在控制温度下进行测试。使用电流源为芯片提供偏置。通过探针在载体上建立电接触。

如图7b所示，通过定制的透镜-光纤组件将光耦合进芯片波导和从芯片波导出耦合。测得的光耦合损耗为每端面1dB。请注意，使用三轴线性平台控制光路对准，并根据光谱分析仪（OSA）上的输出信号峰值功率进行优化。

在表征之前，使用具有波长校准功能的光功率计（OPM）对设置进行校准。接下来，根据光谱分析仪上的峰值功率测量，推导出输出链路的功率损耗。这一步骤针对感兴趣的不同波长重复进行。

完成校准后，在20℃的受控温度下，对各种芯片设计的光纤到光纤增益、噪声系数和饱和输出功率进行了表征。

B. SOA 芯片光学表征结果与分析

我们测试了三种芯片设计：一种是没有UC区段（称为STD，即0% UC），另外两种UC区段的比例分别为43%和56%（分别称为43% UC和56% UC）。所有芯片的长度均为4 mm。

光是从上包层侧注入的。否则，饱和输出功率将受到UC区段较低饱和功率的限制。

在1.3 A的偏置电流下，我们首先通过可变光衰减器（VOA）将小信号输入功率设置为-25 dBm，对器件进行了表征。

在图8中，我们将测量得到的小信号增益光谱与第II-C节中所述模型得到的模拟光谱进行了比较。除了长波长处外，两者在1 dB范围内表现出良好的一致性。长波长处的不一致性是由于提取的材料增益在长波长处存在较大的不准确性。

否则，对于任何设计，3-dB增益带宽均测得超过87 nm，覆盖了C波段和L波段的大部分区域。然而，在1575 nm处，56% UC设计的光纤到光纤增益最高，达到了40 dB，比标准设计的增益高出10 dB。值得注意的是，尽管增益值很大，但在光谱分析仪（OSA）上以0.03 nm的分辨率测量时，在1.3 A偏置电流下的放大自发辐射（ASE）光谱上测得的波纹可忽略不计，即小于0.1 dB。这得益于根据第II-B节中提出的波纹估算而精心设计的波导和锥度。实际上，通过使用较大的脊宽来减小波导模式发散，从而实现了非常低的端面反射率。

在图9中，展示了在光谱分析仪上以0.2 nm分辨率测得的噪声系数（NF）。标准设计的噪声系数在1600 nm处测得为5.5 dB，在较短的波长处增加到8 dB。例如，可以通过增加输入部分的能隙来改善短波长的噪声系数。然而，对于UC设计以及从UC部分注入光的情况，与标准设计的噪声系数相比，在1600 nm处UC设计的噪声系数差0.3 dB，在短波长处差0.5至1 dB。这与我们之前的理论计算分析不同——两个部分的噪声系数应该相似。我们认为，这可能是由于制造问题导致的UC部分传播损耗较大，或者是由于UC部分增益介质在输入处具有较大的ASE功率但饱和功率较小而引起的空间烧孔（SHB）现象。但是，这将在下一节中得到缓解。

在图10中，展示了在1.3 A电流、20°C温度和1600 nm波长下，不同芯片设计的增益随输出功率的变化情况。图中的标记是测量结果，而实线则是根据第II-C节中介绍的模型得到的模拟结果。模拟结果与测量结果非常吻合，增益值的差异在0.5 dB以内，这符合测量精度和重复性。

从这些曲线中，我们通过3-dB增益压缩插值得到了饱和输出功率Psat。对于56% UC、43% UC和0% UC设计的芯片，饱和输出功率分别测得为21.4 dBm、21 dBm和20 dBm。因此，由于较小的有源区体积，UC部分可以使饱和输出功率增加高达1.5 dB。

图5中插值得到的Psat模拟结果在图11中进行了绘制，并与UC比例进行了对比，同时为了考虑光耦合损耗，对模拟结果进行了1-dB的减法处理。这些模拟结果与测得的光纤到光纤Psat值进行了比较。两者结果非常一致（差异为0.2 dB），且都在测量精度和重复性范围内。因此，在1.3 A电流和1600 nm波长下，对于4 mm长的芯片，根据模型预测，56% UC的SOA的饱和输出功率高于43% UC的SOA。

因此，这些结果验证了用于设计这种新型双区芯片的模型的准确性，该模型能够在中等偏置电流下同时实现大增益和高饱和输出功率。

最后但同样重要的是，我们将增益和饱和输出功率的结果与最先进的技术进行了比较。值得注意的是，Morito的研究小组[5]首先取得了具有竞争力的结果。他们封装的5 nm多量子阱（MQW）SOA模块在1 A偏置电流下实现了15 dB的增益和22 dBm的芯片饱和输出功率。Akiyama的研究小组开发了一种使用倾斜波导结构的超宽带量子点（QD）SOA，实现了25dB的增益和22 dBm的饱和输出功率。Juodawlkis的研究小组报告了使用InGaAsP-InP量子阱的斜切波导放大器（SCOWA）的成功结果。这种SCOWA在1.5 µm波段实现了13 dB的光纤到光纤增益和29 dBm的饱和输出功率。然而，其1 cm的芯片长度需要非常高的4-5A偏置电流。2017年，III-V Lab[17]开发了一种偏振不敏感模块，该模块包含两个采用宽带增益材料的多量子阱SOA，实现了18.5 dB的增益和20 dBm的饱和输出功率。最近，据报道，一种高效率的量子点SOA在仅200 mA偏置电流下实现了24dB的高增益和15dBm的饱和输出功率。

通过比较，可以看出我们研究的芯片在特定设计下（如56% UC设计）能够实现与现有先进技术相当的增益和饱和输出功率，同时可能具有更低的偏置电流要求或更紧凑的芯片尺寸。这些结果验证了我们在设计这种新型双区芯片以实现大增益和高饱和输出功率方面的努力是有效的，并表明我们的芯片在性能上具有一定的竞争力。

特别是，考虑到不同的工作电流范围，我们使用G0乘以Psat的乘积（作为品质因数）来比较增益和饱和输出功率之间的权衡。如图12所示，56% UC设计的品质因数远超其他设计，实际上，其领先幅度在10到220倍之间。在这里，我们选择以线性单位表示品质因数，以使增益和Psat具有相同的重要性水平。即使增益以分贝为单位，标准设计与UC设计之间的品质因数也有显著提高。

尽管双区设计达到了在中等电流下实现大增益和高饱和输出功率的初步目标，但测得的噪声系数（NF）相对于标准设计有所恶化。在下一节中，我们将介绍一种具有更小噪声系数的高级设计。

IV. 降低噪声系数的高级设计

A. 噪声系数恶化的根本原因分析

双区设计中噪声系数的恶化是由芯片输入端未钳制（UC）部分引起的大增益所导致的空间烧孔效应（SHB）。实际上，SHB会导致载流子密度降低，进而增加噪声系数，如图8所示。这表明，为了避免严重的噪声系数恶化，不应在芯片输入部分实现大增益。

B. 高级设计

因此，为了减轻噪声系数的恶化，我们设计了一种新的SOA芯片，将未钳制部分置于芯片中心，以避免输入端出现严重的空间烧孔效应，同时在输入和输出端使用锥形结构连接标准部分，如图13所示。此外，为了改善短波长的噪声系数性能，我们重新设计了有源区，并将外延波长移向C波段。因此，我们将未钳制比例设定为50%，并将芯片长度缩短至3mm。

该芯片已使用第II-B节中描述的过程制造完成。由于更改了SOA堆叠，因此还制造了输入端有未钳制（UC）部分的芯片和没有UC部分的芯片（STD），以便能够量化UC部分位置对噪声系数（NF）的影响。

使用与之前相同的设置和测试过程，在更节能的操作条件（1.2 A和25℃）下对新设计的芯片进行了表征。三种芯片设计的增益和NF结果如图14所示。与之前观察到的结果一样，具有UC部分的SOA的增益比STD SOA高出多达13 dB。关于NF，将UC部分置于芯片中间，如预期所料，其NF与STD SOA相似，而将UC部分置于芯片输入端则会导致NF降低0.7 dB。在短波长下，由于基于UC的设计的增益峰值位置比STD设计的增益峰值位置向更长波长移动，因此NF也会随着先进设计的采用而降低。不过，这可以进行进一步调整。

因此，为避免空间烧孔效应（SHB）导致NF降低，UC部分不应置于输入端，而应置于芯片中间。这样仍然可以实现大增益和高饱和输出功率。

V.结论

通过对带有UC部分的双区SOA进行精心分配，我们根据模型预测实现了大增益和高饱和输出功率水平。该设计可以在不降低饱和输出功率（Psat）的情况下显著提高增益。特别是，在4 mm长的芯片中，使用56%的UC部分，在适中的偏置电流（1.3 A）下，实现了高达40 dB的增益和21.4 dBm的饱和输出功率。这在我们所知的范围内，是增益和饱和输出功率之间最佳权衡的表现。此外，通过精心定位UC部分，还降低了噪声系数。随着我们工作的推进，进一步降低噪声系数和功耗以满足工业化要求将是有益的。根据应用场景的不同，该设计也可以进行调整以满足其他增益-饱和输出功率要求。例如，可以减小限制因子，以获得更高的输出饱和功率。

--已完结--

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天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可见光波长SOA器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。